[发明专利]植物的营养液雾化培养反应器

说明书

本发明涉及植物组织细胞及完整植物培养，尤其涉及植物的营养液雾化培养反应器。

在植物培养这一领域中，尤其是在组织培养方面，至今未有十分适用的设备和装置(本交底书统称为生物反应器)。而培养基质也只是采用液体或加有琼脂的固体培养基两种形式。

当前普遍采用的培养方法是：在小培养瓶内，用浅层的液体培养基浸没组织块或将组织块在固体培养基上固定培养。将小培养瓶置于恒温培养室内，适当控制好光照条件。

设计适合于植物组织培养的新型生物反应器，是这一技术走向工业化的关键环节，许多研究人员在这方面做了大量的工作。曾有报道，将搅拌式或气升式反应器用于植物组织比如胚状体的培养上。此外，一些研究者根据植物组织、细胞培养的特点，设计了各式各样均新型反应器，例如转鼓式反应器，悬杆搅拌式反应器。

八十年代末，Weathers和Giles报道了用营养液雾化培养植物组织的实验结果，指出这是一种有前途的新方法。他们当时使用的是机械喷雾，装置结果见图1。随后，Weathers及其合作者又使用超声波雾化装置培养了多种植物组织，取得了很好的结果，系统构成见图2。进入九十年代，日本与韩国的研究人员也做了这方面的工作，他们的思路及系统的构成与Weathero等人的基本相同，见图3，和图4。

现有技术中存在的许多问题，限制了植物组织培养向工业化、规模化方向的发展，大部分工作停留在瓶瓶罐罐的简单而繁琐的劳动的水平上。

传统的小培养瓶培养方式，人力消耗大，操作繁琐。在培养过程中，瓶与瓶之间条件不容易统一控制，因而材料的同步性较差。如果使用固体培养基，琼脂的添加增加了培养的成本，而且在固体培养基上，植物组织的生长，繁殖速度较慢；营养物质利用率低；而使用液体培养基，由于只能浅层培养，中间需要多次换液或补充新鲜营养液，增加了工作的繁琐程度并且瓶盖的多次开启，扩大了染菌的机会。

在生物反应器的研制和应用方面，许多研究者根据植物组织，细胞培养的特点，或是直接应用传统的气升式或搅拌式发酵罐；或是对传统设备加以改进；或是设计新型的生物反应器，它们的共同点是：液体培养基浸没组织块，而后通过搅拌或通气使体系均匀，并使供气充分。这种浸没方式带来下面几个问题：

1.液体浸没不是大多数植物的正常生长环境，长期浸没会产生玻璃化作用，这是影响液体培养效果的极为严重的一个问题。

2.液体培养过程中，供气效果差，溶氧低。而植物组织块体积大，比表面积相对于单细胞要小得多，因此内扩散传递阻力大，这就更加突出了液体培养供气效果较差的问题。另外，组织块的存在，使体系的流动效果较差，加大了氧气在气、液、固三相间的传递难度，降低了供气的效率。

3、由于需要不停地搅拌或通气。一方面，有较大的剪切力，对组织、细胞有破坏作用；另一方面，组织块始终处于不固定状态，消除了其生长、发育的方向性，而实验表明：植物生长、发育有一定的极性效应，固定状态更有利。

Weathers等提出的雾化培养方法，为植物组织培养提供了一条新的途径，并显示出良好的发展前景。但Weathers和其他研究者的着眼点还是荡在植物组织在雾化培养条件下的生理字研究上，他们的培养系统只是试验性质的，在实际应用和放大方面还存在许多问题：

1、雾化装置、培养箱和营养液贮罐分离，之间以管道相连。这种多管路、多联接，往往会增加染菌的机会，而且在灭菌过程中容易产生死角。

2、营养雾用无菌空气带入培养箱，随着尾气的排出，会有大量被雾化的营养液被带走，造成浪费，而且处理不当会造成环境污染。

3、为处理尾气中的营养雾，需要安装适当的分离设备、装置，增加了系统的复杂程度。

以上这些问题，随着反应器的放大将更加突出。

本发明针对现有技术中存在的这些问题，提出了一条新的思路和一套全新的设计。其目的是：①使组织培养用新型生物反应器来进行，实现大规模，降低劳动强度，简化控制条件。②实现固定化培养，维持植物生长、发育的极性效应。③解决培养过程中的玻璃化问题和供气问题，消除机械损伤作用。④简化培养系统的结构，减少染菌机会，降低设备放大的难度，使之更加实用。⑤充分利用植物组织，细胞生长的特点和反应器自身结构上的特点，简化操作，节省能源，减少营养物质的浪费并提高培养的效果。

本发明具体的解决方案为：